Технология изготовления полупроводниковых микросхем
В зависимости от разновидности полупроводниковой технологии (локализация и литография, вакуумное напыление и гальваническое осаждение, эпитаксия, диффузия, легирование и травление) получают области с различной проводимостью, которые эквивалентны емкости, либо активным сопротивлениям, либо различным полупроводниковым приборам. Изменяя концентрацию примесей, можно получить в кристалле многослойную структуру, воспроизводящую заданную электрическую схему.
В настоящее время применяют групповые способы изготовления полупроводниковых интегральных микросхем, позволяющие за один технологический цикл получить несколько сотен заготовок микросхем. Наибольшее распространение получил групповой планарный способ, заключающийся в том, что элементы микросхем (конденсаторы, резисторы, диоды и транзисторы) располагаются в одной плоскости или на одной стороне подложки.
Рассмотрим основные технологические процессы, применяемые при изготовлении полупроводниковых микросхем (термическое оксидирование, литография, эпитаксия, диффузия и ионное легирование) .
Рис. 22. Перенос изображений с помощью негативного
(а) и позитивного (б) фоторезистов:
1 -основа фотошаблона, 2 - непрозрачные участки рисунка фотошаблона, 3 -
фоторезистивный слой, 4 - подложка
Термическое оксидирование мало чем отличается от типовых технологических процессов, известных при производстве полупроводниковых приборов. В технологии кремниевых полупроводниковых микросхем оксидные слои служат для изоляции отдельных участков полупроводникового кристалла (элементов, микросхемы) при последующих технологических процессах.
Литография является самым универсальным способом получения изображения элементов микросхемы на кристалле полупроводника и делится на три вида: оптическая, рентгеновская и электронная.
В производстве полупроводниковых интегральных микросхем самый универсальный технологический процесс - это оптическая литография или фотолитография. Сущность процесса фотолитографии основана на использовании фотохимических явлений, происходящих в светочувствительных покрытиях (фоторезистах) при экспонировании их через маску. На рис. 22, а показан процесс негативного, а на рис. 22, б - позитивного переноса изображений с помощью фоторезистов, а на рис. 23 приведена схема технологического процесса фотолитографии.
Весь процесс фотолитографии с помощью фоторезистивной маски состоит из трех основных этапов: формирования на поверхности подложки фото-резистивного слоя 1, фоторезистивной контактной маски II и передачи изображения с фотошаблона на фоторе-зистивный слой III.
Фотолитография может производиться бесконтактным и контактным способами. Бесконтактная фотолитография по сравнению с контактной дает более высокую степень интеграции более высокие требования к фотообо-рудованию.
Процесс получения рисунка микросхемы фотолитографическим способом сопровождается рядом контрольных операций, предусмотренных соответствующими картами технологического контроля.
Рентгеновская литография позволяет получить более высокую разрешающую способность (большую степень интеграции), так как длина волны рентгеновских лучей короче, чем световых. иднако рентгенолитография требует более сложного технологического оборудования.
Электронная литография (электронно-лучевое экспонирование) выполняется в специальных вакуумных установках и позволяют получить высокое качество рисунка микросхемы. Этот вид литографии легко автоматизируется и имеет ряд преимуществ при получении больших интегральных микросхем с большим (более 105) числом элементов.
В настоящее время полупроводниковые элементы и компоненты микросхем получают тремя методами: эпитаксии, термической диффузии и ионного легирования.
Эпитаксия-процесс выращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия кристалла подложки. Ориентированно выраженные слои нового вещества, закономерно продолжающие кристаллическую решетку подложки, называют эпитаксиальными слоями. Эпитаксиальные слои на кристалле выращивают в вакууме. Процессы эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев аналогичны получению тонких пленок. Эпитаксию можно разделить на следующие этапы: доставка атомов или молекул вещества слоя на поверхность кристалла подложки и миграция их по поверхности; начало группирования частиц вещества около поверхностных центров кристаллизации и образование зародышей слоя; рост отдельных зародышей до их слияния и образования сплошного слоя.
Эпитаксиальные процессы могут быть очень разнообразными. В зависимости от используемого материала (полупроводниковой пластины и легирующих элементов) с помощью процесса эпитаксии можно получить однородные (мало отличающиеся) по химическому составу электронно-дырочные переходы, а также однослойные и многослойные структуры наращивания слоев различных типов проводимости. Этим методом можно получить сложные сочетания: полупроводник - полупроводник; полупроводник -
Диэлектрик; полупроводник - металл.
В настоящее время наиболее широко применяют избирательный локальный эпитаксиальный рост с использованием Si02 - контактных масок с эпитаксиально-планарной технологией.
Для получения заданных параметров эпитаксиальных слоев осуществляют контроль и регулировку толщины, удельного сопротивления, распределения концентрации примеси по толщине слоя и плотности дефектов. Эти параметры слоев определяют пробивные напряжения и обратные токи р-гс-переходов, сопротивления насыщения транзисторов, внутреннее сопротивление и вольт-фа-радные характеристики структур.
Термическая диффузия - это явление направленного перемещения частиц вещества в сторону убывания их концентрации, которое определяется градиентом концентрации.
Термическую диффузию широко используют для введения легирующих примесей в полупроводниковые пластины или в выращенные на них эпитаксиальные слои с целью получения элементов микросхемы противоположного по сравнению с исходным материалом типа проводимости, либо элементов с более низким электрическим сопротивлением. В первом случае получают, например, эмиттеры, во втором- коллекторы.
Диффузию, как правило, проводят в специальных кварцевых ампулах при 1000-1350° С. Способ проведения диффузии и диф-фузант (примесь) выбирают в зависимости от свойств полупроводника и требований, предъявляемых к параметрам диффузионных структур. Процесс диффузии предъявляет высокие требования к оборудованию и частоте легирующих примесей и обеспечивает получение слоев с высокой точностью воспроизведения параметров и толщин. Свойства диффузионных слоев тщательно контролируют, обращая внимание на глубину залегания р-гс-перехода, поверхностное сопротивление или поверхностную концентрацию примеси, распределение концентрации примеси по глубине диффузионного слоя и плотность дефектов диффузионного слоя.
Дефекты диффузионных слоев (эрозию) проверяют с помощью микроскопа с большим увеличением (до 200х) или электрорадиографии.
Ионное легирование также получило широкое применение при изготовлении полупроводниковых приборов с большой плоскостью переходов, солнечных батарей и др.
Процесс ионного легирования определяется начальной кинетической энергией ионов в полупроводнике и выполняется в два этапа. Сначала в полупроводниковую пластину на вакуумной установке с дуговым разрядом внедряют ионы, а затем проводят отжиг при высокой температуре, в результате чего восстанавливается нарушенная структура полупроводника и ионы примеси занимают узлы кристаллической решетки. Метод получения полупроводниковых элементов наиболее перспективен при изготовлении различных СВЧ-структур.
Основные технологические этапы получения полупроводниковых микросхем показаны на рис. 24. Самым распространенным методом получения элементов в микросхеме (разделения участков микросхемы) является изоляция оксидной пленкой, получаемой в результате термообработки поверхности кристалла (подложки).
Чтобы получить изолирующие р-гс-переходы на подложке кремниевой пластины 1, ее обрабатывают в течение нескольких часов в окислительной среде при 1000-1200° С. Под действием окислителя эпитаксиальный полупроводниковый поверхностный слой кремния 2 окисляется. Толщина оксидной пленки 3 - несколько десятых долей микрона. Эта пленка препятствует проникновению в глубь кристалла атомов другого вещества. Но если снять пленку с поверхности кристалла в определенных местах, то с помощью диффузии или других рассмотренных выше методов можно ввести в эпитаксиальный слой кремния примеси, создав тем самым участки различной проводимости. После того как на подложке получена оксидная пленка, на подложку наносят светочувствительный слой - фоторезист 4. Далее этот слой используют для получения в нем рисунка фотошаблона 5 в соответствии с топологией микросхемы.
Перенос изображения с фотошаблона на окисленную поверхность кремниевой пластины, покрытую слоем фоторезиста, чаще всего производят фотографией, а экспонирование - ультрафиолетовым светом или рентгеном. Затем подложку с экспонированным рисунком проявляют. Те участки, которые освещались, растворяются в кислоте, обнажая поверхность оксида кремния 6. Те же участки, которые не экспонировались, кристаллизуются и становятся нерастворимыми участками 7. Полученную подложку с нанесенной на ней рельефной схемой расположения изолирующих переходов промывают и сушат. После травления незащищенных участков оксида кремния защитный слой фоторезиста удаляют химическим способом. Таким образом, на подложке получают «окна». Такой способ получения рисунка схемы называют позитивным.
Рис. 24. Основные технологические этапы получения полупроводниковых микросхем
Через обнаженные участки 6 подложки методом диффузии вводят примеси атомов бора или фосфора, которые создают изолирующий барьер 8. На полученных изолированных друг от друга участках подложки методом вторичной диффузии, травления, наращивания или другим методом получают активные и пассивные элементы схемы и токопроводящие пленки 9.
Технология получения полупроводниковых интегральных схем состоит из
15-20, а иногда и более операций. После того как
получены все компоненты схем и пленка оксида вытравлена с тех мест, где
будут находиться выводы компонентов, полупроводниковую схему покрывают
методом напыления или гальванического осаждения пленкой алюминия. С
помощью фотолитографии с последующим травлением получают внутрисхемные
соединения.
Поскольку в едином технологическом цикле на подложке изготовляют большое количество однотипных интегральных схем, пластины разрезают на отдельные кристаллы, каждый из которых содержит готовую микросхему. Кристаллы приклеивают к держателю корпуса, а электрические контакты микросхемы методом пайки, сварки и термокомпрессии соединяют с выводами проволочными перемычками. Готовые микросхемы при необходимости герметизируют одним из описанных ниже способов.
Промышленность выпускает большую номенклатуру полупроводниковых интегральных микросхем. Например, кремниевые микросхемы с диодно-транзисторными связями предназначены для работы в логических узлах ЭВМ и узлах автоматики; германиевые полупроводниковые микросхемы с непосредственными связями являются универсальными логическими переключающими элементами НЕ - ИЛИ.
Дальнейшим развитием технологии производства интегральных микросхем явилось создание схем с большой интеграцией микроэлементов.
В совмещенной интегральной микросхеме элементы выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки комбинированием технологии изготовления полупроводниковых и пленочных микросхем. В монокристалле кремния - подложке методами диффузии, травления и другими получают все активные элементы (диоды, транзисторы и др.), а затем на эту подложку, покрытую плотной пленкой оксида кремния, напыляют пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) и токопроводящие проводники. Совмещенную технологию применяют для изготовления микро-мощных и быстродействующих интегральных микросхем.
Для получения контактных площадок и выводов микросхемы на подложку осаждают слой алюминия. Подложка со схемой крепится на внутреннем основании корпуса, контактные площадки на монокристалле соединяются проводниками с выводами корпуса микросхемы.
Совмещенные интегральные микросхемы конструктивно могут быть выполнены в виде моноблока довольно малых размеров. Например, двухкаскадный высокочастотный усилитель, состоящий из двух транзисторов и шести пассивных элементов, размещается на монокристалле кремния размером 2,54X1,27 мм.
Быстрый рост интеграции полупроводниковых микросхем при разработке РЭА привел к созданию микросхем высокой степени сложности: БИС, СБИС и БГИС (микросборок).
Большая интегральная схема представляет собой сложную полупроводниковую
микросхему с высокой степенью интеграций. В последние годы созданы
полупроводниковые БИС, имеющие
на кристалле кремния размером 1,45x1,6 мм до 1000 и более элементов
(транзисторов, диодов, резисторов и др.) и выполняющие функции 300 и
более отдельных интегральных микросхем. Разработан микропроцессор
(микро-ЭВМ), имеющий степень интеграции свыше 107 элементов на
кристалле.
Используя несколько навесных структур БИС на диэлектрической подложке с пассивной пленочной частью микросхем, можно получить микросборки (БГИС), которые просты в проектировании и изготовлении.
Повышение интеграции микросхем достигается автоматизацией и введением в технологический процесс математического моделирования с машинным проектированием топологии и применением новых методов формирования элементов микросхем (ионное легирование и др.).
Основной цикл проектирования БИС состоит из двух этапов: архитектурно - схемотехнического и конструкторско - технологического.
Архитектурно-схемотехнический этап включает разработку архитектуры и структуры микросхемы, функциональных и принципиальных электрических схем, математическое моделирование и другие работы.
Конструкторско-технологический этап включает разработку топологии и конструкции микросхемы, технологии ее изготовления, а также их испытания.
Большие и сверхбольшие интегральные микросхемы на современном уровне представляют последний этап развития классических интегральных микросхем, в которых можно выделить области, эквивалентные пассивным и активным элементам. Дальнейшее развитие элементной базы электроники возможно при использовании различных эффектов и физических явлений в молекулах твердого тела (молекулярная электроника).
Введение
1.аналитический обзор
2. Технологическая часть 1 Описание технологического процесса 2 Выбор класса производственных помещений 3 Основные материалы и реактивы 4 Основные технологические операции 4.1 Очистка подложки 4.2 Термическое окисление 4.3 Литографические процессы 4.4 Ионная имплантация 4.5 Металлизация 4.6 Межслойная изоляция 3. инженерно - экономические расчеты Заключение Введение
Технология интегральных схем, развиваясь исключительно быстрыми темпами, достигла немыслимых успехов. Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных приборов, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника). В настоящее время она играет определяющую роль в совершенствовании практически всех отраслях народного хозяйства (интегральные схемы используются в компьютерах, системах автоматизированного проектирования, промышленных роботах, средствах связи и пр.). Применяемые при изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС) технологические процессы носят групповой характер, т.е. одновременно изготавливается большое количество ИМС. Многие технологические операции позволяют осуществить обработку до 200 пластин, что позволяет одновременно изготовить свыше миллиона электронных приборов. Для реализации больших возможностей планарной технологии необходимо выполнение немалого числа общих требований производства и определенных технологических условий, обеспечивающих получение образцов полуфабрикатов высокого качества на всех технологических этапах. А это невозможно без применения особо чистых основных и вспомогательных материалов, выделяемых в специальный класс «для полупроводникового производства», точного технологического и контрольного оборудования, производственных помещений, удовлетворяющим столь высоким требованиям технологической гигиены, какие не встречаются ни в каких других отраслях. Целью данного проекта является изучение современных технологических приемов в производстве изделий твердотельной электроники и разработка сквозного технологического процесса изготовления МДП-транзистора с диодом Шоттки. транзистор интегральный схема
1. Аналитический обзор
Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированным затвором состоит из пластины полупроводника (подложки) с относительно высоким удельным сопротивлением, в которой созданы две области с противоположным типом электропроводности). На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Поверхность полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика (обычно слоем оксида кремния). На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника (рисунок 1). Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами или МОП-транзисторами (металл-оксид (окисел)-полупроводник).
Рисунок 1 - Топология и основные элементы МОП-транзистора
Технология изготовление МОП-ИМС занимает доминирующее положение среди процессов изготовления полупроводниковых ИМС. Это объясняется тем, что ИМС на МОП-транзисторах составляют значительную часть основных изделий микроэлектроники различного функционального назначения. Благодаря высокой надежности и большой функциональной сложности МОП-ИМС имеют меньшие геометрические размеры, чем ИМС на биполярных транзисторах. Технология изготовления кристаллов МОП-ИМС во многом схожа с технологией биполярных ИМС. Отличие при этом обусловлено рядом конструктивно-технологических особенностей самих МОП-ИМС. Различают МОП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналом : ·В МОП-транзисторах со встроенным каналом есть специальный встроенный канал, проводимость которого модулируется смещением на затворе. В случае канала p типа положительный канал отталкивает дырки из канала (режим обеднения), а отрицательный притягивает (режим обогащения). Соответственно проводимость канала либо уменьшается, либо увеличивается по сравнению с ее значением при нулевом смещении.
·МОП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал возникает между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (отрицательного при p-канале и положительного при n-канале). Это напряжение называют пороговым.
Первыми в промышленном производстве были p-МОП-ИМС, т.к. изготовление n-МОП-ИМС затруднялось возникновением на поверхности p-Si при термическом оксидировании инверсного n-слоя, который электрически связывает элементы ИМС. Но в настоящее время в производстве преобладают n-канальные ИМС . Транзисторы с электронной проводимостью канала имеют лучшие характеристики, так как подвижность электронов в кремнии значительно превышает подвижность дырок. МДП-ИМС изготавливают по планарной технологии. Наиболее ответственные моменты в технологическом процессе это: создание подзатворного диэлектрика, точное совмещение затвора с каналом и получение структур с малой длиной канала. Для полевого транзистора с изолированным затвором возможно его сочетание с диодом Шоттки. Диод Шоттки в интегральном исполнении представляет собой контакт полупроводник - металл, на котором образуется так называемый барьер Шоттки. Переходам такого типа, выполненных с учетом определенных требований, присущи такие эффекты как несимметрия вольт-амперной характеристики и наличие барьерной емкости. Для получения подобных переходов металл, наносимый в качестве электрода на поверхность электронного полупроводника, должен иметь работу выхода, меньшую работы выхода полупроводника; для электрода, наносимого на поверхность дырочного полупроводника, требуется металл с большей работой выхода (рисунок 2) .
Рисунок 2 - Зонная диаграмма образования бартера Шоттки в месте контакта металла и полупроводника p-типа
В этом случае в полупроводнике на границе с металлом образуется обогащенный основными носителями слой, обеспечивающий высокую проводимость перехода независимо от направления тока. В целом, изготовление МДП-транзистора с диодом Шоттки не требует введения дополнительных технологических операций.
2. Технологическая часть
1 Описание технологического процесса
Рисунок 3 - Последовательность технологических операций производства МОП-транзистора с диодом Шоттки
В исходную пластину методом ионной имплантации внедряются бор для получения подложки p-типа (рисунок 3, а). После этого с помощью фотолитографии и ионной имплантации фосфора формируются области с повышенным содержанием доноров (рисунок 3, в-е). В последствии выращивается дополнительный слой диоксида кремния. Так как температура на этой стадии высокая, то примеси фосфора в течение этой операции более равномерно распределяются в толще приповерхностного слоя подложки (рисунок 3, ж). С помощью очередной фотолитографии удаляем оксид кремния в области, разделяющей сток и исток будущего транзистора (рисунок 3, з). Теперь самая ответственная во всем цикле производства операция - выращивание подзатворного диэлектрика (рисунок 3, и). Теперь остается сформировать электроды стока, истока и затвора, а также переход Шоттки. Сейчас упрощенно покажем эту металлизацию (рисунок 3, к-м), а далее более подробно рассмотрим принципы ее формирования (раздел 2.4.5).
2 Выбор класса производственных помещений
За основу современных требований по классам чистоты чистых помещений и чистых зон берутся нормы, определенные в Федеральном стандарте США FS209E . Подготовленный проект Российского стандарта гармонизован с этим стандартом США. Критерий чистоты - это отсутствие или минимальное число частиц загрязнений, которые находясь на поверхности пластины могут вызывать либо дефекты в выращиваемых слоях, либо становиться причиной коротких замыканий соседних близко расположенных элементов ИС.
Таблица 1-Классы чистоты по взвешенным в воздухе частицам для чистых помещений Класс чистотыПредельно допустимая счетная концентрация частиц N (шт/м3) размером равным и превышающим (мкм)0,10,20,30,51,0Класс 1 ISO102---Класс 2 ISO10024104-Класс 3 ISO1000237102358Класс 4 ISO100002370102035283Класс 5 ISO10000023700102003520832Класс 6 ISO1000000237000102000352008320Класс 7 ISO---35200083200Класс 8 ISO---3520000832000Класс 9 ISO---352000008320000
Количественный критерий - критический размер частиц - одна треть от минимального геометрического горизонтального размера элемента ИС: Таким образом, можно выбирать чистое помещение, соответствующее классам чистоты от ISO 1 до ISO 6. Ориентируясь также на стоимость, выбираем класс чистоты ISO 2, для которого максимально допустимая концентрация взвешенных в воздухе частиц, равных или больших чем рассматриваемый размер 0,2 мкм (число частиц в 1м3 воздуха) составляет:
где N - номер класса чистоты ISO; D - рассматриваемый размер частиц, мкм.
3 Основные материалы и реактивы
В течение многих лет основным полупроводниковым материалом, который используется для изготовления интегральных схем, остается монокристаллический кремний. Пластины кремния являются той основой, в поверхностных слоях которой создаются полупроводниковые области с заданными электрофизическими характеристиками. На поверхности кремния формируются диэлектрические слои окислением самого полупроводникового материала или нанесением диэлектриков из внешних источников; образуются структуры многослойной металлизации, защитные, стабилизирующие слои и так далее. Требования к пластинам кремния детально отработаны, существует целый каталог международных стандартов ассоциации SEMI, в то же время продолжается постоянное повышение требований к кремнию, что связано с постоянным стремлением к снижению себестоимости конечного продукта - интегральных схем. Ниже приведены некоторые геометрические характеристики пластин кремния в соответствии с техническими условиями ЕТО.035.124ТУ, ЕТО.035.206ТУ, ЕТО.035.217ТУ, ЕТО.035.240ТУ, ЕТО.035.578ТУ, ПБЦО.032.015ТУ . Диаметр пластины 100мм. Ориентация кремниевой подложки (100) имеет преимущество по сравнению с (111), заключающееся с более высокой подвижности электронов, обусловленной низкой плотностью поверхностных состояний на границе кремний-диэлектрик. Толщина пластины 500 мкм. Разброс значений толщины в партии ±10 мкм. Разброс значений толщины по пластине ±12 мкм. Прогиб 20 мкм. Отклонение от плоскостности ±5 мкм. Высокие требования по примесям и механическим частицам предъявляются к деионизованной воде. В таблице 2 приведены выписки из руководящего материала международной ассоциации SEMI с указанием рекомендуемых параметров сверхчистой воды для производства полупроводниковых интегральных схем с минимальным размером элемента 0,8-1,2 мкм. Соответствующая индексация жидких реагентов по стандартам SEMI записывается как SEMI C7. Значение параметра удельного электрического сопротивления воды должно быть близко к теоретической величине 18,2 МОм·см.
Содержание окисляемой органики, ppb<10Содержание тяжелых металлов, ppb<3Частиц/литр 0,1-0,2U 0,2-0,3U 0,3-0,5U >0,5U <1500 <800 <50 <1Бактерии/100мл<5SiO23Содержание ионов, ppb Na+ K+ Cl- Br- NO3- SO42- Общее количество ионов, ppb 0,025 0,05 0,025 0,05 0,05 0,2 <0.2Сухой остаток, ppm<0,05
Кроме параметров, указанных в таблице, в рекомендациях SEMI приведены данные по наличию следов ряда металлов в воде. Анализ проводится на содержание следующих металлов: Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb. Для воды градации SEMI C7 для всех без исключения указанных элементов допустимая концентрация следов лежит в пределах от 0,001 до 0,005 ppb. Уровень чистоты жидких химических реактивов, применяемых в производстве интегральных схем, определяется серией международных стандартов и имеет различные градации в соответствии с уровнем сложности интегральных схем. «Grade 2» имеет обозначение стандарта, начинающееся с символов SEMI C7. Реактивы, имеющие уровень чистоты «Grade 2», используются при изготовлении интегральных схем с проектными нормами в диапазоне 0,8-1,2 мкм, что соответствует требованию задания. В реактивах градации «Grade 2» контролируются посторонние частицы размером 0,5 мкм и выше. Практически во всей номенклатуре реактивов максимальная норма - 25 частиц в 1 мл реактива. В спецификациях на такие реактивы содержание следов металлов указывается 5-10 ppb. Помимо стандартов для химических реактивов повышенной чистоты разработаны спецификации в виде руководящих материалов. В соответствии с ними сформированы три уровня (яруса) требований к чистоте: A, B, C (в английском написании - Tier A, Tier B, Tier C). Уровню А соответствуют требования стандарта SEMI C7. Соответственно, реактивы для данного технологического процесса должны отвечать Tier A (ярус A). В технологии изготовления интегральных схем исключительную роль играют газы. Практически все технологические процессы проходят в газовой среде и проблема создания производства полупроводниковых приборов «без загрязнений» - это в большой степени проблема чистоты газов. Различают два типа газовых сред: газы - носители и газы химических реакций в технологических процессах. Парциальное давление газов-носителей, как правило, высокое, в связи с чем их чистота с учетом высокой концентрации в рабочей газовой среде особенно критична в технологии.
Таблица 3 - Газы в технологических процессах изготовления ИС №НаименованиеХимическая формулаСодержание основного вещества, %Суммарное содержание примесей (ppm частей моля/моль)1АммиакNH399,998122АргонAr99,999900,953АрсинAsH399,94533 (из них 500 ppm - водород H2)4Треххлористый борBCl399,9995 (по весу в жидкой фазе)5 (по весу в жидкой фазе)5Трифторид бораBF399,00,94% - газы не растворимые в воде, 200 ppm - SiF4. Остальные примеси - 28 ppm.6Четырехфтористый углеродCF499,99730, в т. ч. 20 - N2, 5 - O27ДиборанB2H699,81012, из них 500 - CO2 300 - B4H10 - тетраборан 50 - H2 50 - N28ДихлорсиланH2SiCl299Основные примеси - другие хлорсиланы в жидкой фазе9ГелийHe99,99954,510ГексафторэтанC2F699,9963911ВодородH299,99972,812Хлористый водородHCl99,9972813Фтористый ангидридHF99,94525, в т. ч. 200 - водяные пары по объему14АзотN299,999990,115Трифторид азотаNF399,81000, в т. ч. CF4 - 500, CO - 130, N2 -100, O2 - 10016Закись азотаN2O99,99726, в т. ч. 10 - N217КислородO299,998218ФосфинPH399,98181, в т. ч. 100 - H2, 50 - N219МоносиланSiH499,9945920Четыреххлористый кремнийSiCl499,6Основные примеси: SiH2Cl2 - 0,2% в жидкой фазе, SiHCl3 - 0,2% в жидкой фазе21Гексафторид серыSF699,97209, в т. ч. 100 - CF422Гексафторид вольфрамаWF699,99639, в т. ч. 20 - HF23Трифторид хлораClF3
4 Основные технологические операции
2.4.1 Очистка подложки Понятно, что на любой подложке в каком-то количестве присутствуют загрязнения. Это могут быть частицы пыли, молекулы различных веществ, как неорганических, так и органических. Пылеобразные частицы удаляются либо механической кистевой, либо ультразвуковой отмывкой. Применяются методы с использованием центробежных струй. Процедура химической очистки обычно проводится после ликвидации неорганических молекул и атомов, и заключается в удалении органических загрязнений. Обычная процедура очистки выполняется в смеси H2O-H2O2-NH4OH, которая обеспечивает удаление органических соединений за счет сольватирующего действия гидроксида аммония и окисляющего действия перекиси водорода. Для удаления тяжелых металлов используют раствор H2O-H2O2-HCl. Подобная очистка подложек проводится при температуре ~80ºС в течение 10-20 минут, после чего осуществляется их отмывка и сушка.
4.2 Термическое окисление Под окислением полупроводников понимают процесс их взаимодействия с окисляющими агентами: кислородом, водой, озоном и т.д. Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры 900 - 1200 °С. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Схематично вид установки показан на рисунке 4 (в современных установках пластины в подложкодержателе располагаются вертикально).
Рисунок 4-Схема установки процесса термического окисления
Требования к оборудованию: 1)контролируемая с точностью до 1 градуса температура подложкодержателя;
2)обеспечение плавного повышения и понижения температуры в реакторе (двухстадийный нагрев);
)отсутствие посторонних частиц в реакторе (подложкодержатель сначала вводится в трубу реактора, а затем опускается на дно);
)отсутствие посторонних примесей, в частности, ионов натрия на внутренней поверхности реактора (с целью их удаления проводится предварительная продувка трубы реактора хлором);
)обеспечение введения кремниевых пластин в реактор сразу после их химической очистки.
Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений: ·окисление в атмосфере сухого кислорода (сухое окисление): SiТВ+ O2 = SiO2;
·окисление в парах воды (влажное окисление): SiТВ+2H2O = SiO2 + 2H2;
·термическое окисление в присутствии хлора (хлорное окисление);
·окисление в парах воды при повышенных температуре и давлении (гидротермальное окисление).
При одной и той же температуре коэффициент диффузии воды в диоксиде кремния существенно выше коэффициента диффузии кислорода. Этим объясняются высокие скорости роста оксида во влажном кислороде. Выращивание пленок только во влажном кислороде не применяется из-за плохого качества оксида. Более качественные пленки получаются в сухом кислороде, но скорость их роста слишком мала. Для маскирования при локальных обработках оксидирование ведут в режиме сухой-влажный-сухой кислород. Для формирования подзатворного диэлектрика МОП-структур применяют сухой кислород, т.к. пленки получаются более качественные.
4.3 Литографические процессы Основное назначение литографии при изготовлении структур микросхем - получение на поверхности пластин контактных масок с окнами, соответствующими топологии формируемых технологических слоев, и дальнейшая передача топологии (рисунка) с маски на материал данного слоя. Литография представляет собой сложный технологический процесс, основанный на использовании явлений, происходящих в резистах при актиничном облучении. Резисты, растворимость которых в проявителе увеличивается после облучения, называются позитивными. Негативные резисты после облучения становятся практически нерастворимыми в проявителе. Стандартно в электронной промышленности применяется оптическая литография - фотолитография (рисунок 5), - для которой применяют фоторезисты, чувствительные к актиничному излучению с длиной волны от 200 до 450 нм. Фоторезисты представляют собой сложные полимерные композиции, в составе которых имеются фоточувствительные и пленкообразующие компоненты, растворители и специальные добавки. В проекте используется позитивный высококачественный и стабильный фоторезист ФП-20Ф, предназначенный для реализации контактных и проекционных фотолитографических процессов в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. В соответствии с этим для травления можно применять слабый водный раствор KOH или NaOH. Наиболее оптимальный способ нанесения фоторезиста - центрифугирование. Подложка закрепляется на горизонтальной центрифуге. На подложку наносится 1-5 мл фоторезиста (в зависимости от размеров подложки). Центрифуга приводится во вращение до скорости 1000-3000 об/мин (в зависимости от марки фоторезиста). Вращение продолжается 1-2 мин до формирования пленки фоторезиста, растворитель при этом испаряется.
Рисунок 5 - Схема основных операций фотолитографического процесса
Существует несколько способов экспонирования, в проекте будем использовать бесконтактный (рисунок 6). Проекционная печать позволяет полностью исключить повреждения поверхности шаблона. Изображение топологического рисунка шаблона проецируется на покрытую резистом пластинку, которая расположена на расстоянии нескольких сантиметров от шаблона.
Источник света; 2- оптическая система; 3- шаблон; Фоторезист; 5- кремниевая пластина. Рисунок 6-Схема проекционной печати
Для достижения высокого разрешения отображается только небольшая часть рисунка шаблона. Это небольшая отражаемая область сканируется или перемещается по поверхности пластины. В сканирующих проекционных устройствах печати шаблон и пластина синхронно перемещаются. При сушке фоторезиста очень важно подобрать нужные температуру и время. Сушка фоторезиста будет осуществляться наиболее распространенным способом - ИК-излучением. При этом растворитель удаляется равномерно по толщине слоя резиста и не происходит его уплотнения, а время сушки понижается до нескольких минут.
4.4 Ионная имплантация Легирование полупроводниковых материалов с целью получения заданных электрофизических параметров слоев при формировании определенной геометрической структуры ИС остается важнейшей технологической задачей. Существует два вида легирования: диффузионное (включает в себя стадии загонки примеси и последующей разгонки) и ионное. Наиболее распространенным является ионная имплантация (ионное легирование) как процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области (рисунок 7). Этот способ отличается универсальностью (можно вводить любые примеси в любое твердое тело), чистотой и точностью процесса легирования (практически исключается попадание неконтролируемых примесей) и низкими температурами процесса.
Источник ионов; 2 - масс-спектрометр; 3 - диафрагма; 4 - источник высокого напряжения; 5 - ускоряющая трубка; 6 - линзы; 7 - источник питания линз; 8 - система отклонения луча по вертикали и система отключения луча; 9 - система отклонения луча по горизонтали; 10 - мишень для поглощения нейтральных частиц; 11 - подложка. Рисунок 7 - Схема установки ионного легирования
При ионной имплантации проявляется ряд нежелательных эффектов, таких как эффект каналирования, аморфизация приповерхностного слоя подложки, образование радиационных дефектов. Эффект каналирования наблюдается при попадании иона в свободное пространство между рядами атомов. Такой ион постепенно теряет энергию за счет слабых скользящих столкновений со стенками канала и, в конце концов, покидает эту область. Расстояние, проходимое ионом в канале, может в несколько раз превышать длину пробега иона в аморфной мишени, а значит профиль распределения примеси получается неравномерным. При внедрении ионов в кремниевую кристаллическую подложку они подвергаются электронным и ядерным столкновениям, однако, только ядерные взаимодействия приводят к смещению атомов кремния. Легкие и тяжелые ионы по-разному взаимодействуют с подложкой. Легкие ионы при внедрении в мишень первоначально испытывают в основном электронное торможение. На профиле распределения смещенных атомов по глубине подложки существует скрытый максимум концентрации. При внедрении тяжелых ионов они сразу начинают сильно тормозиться атомами кремния. Тяжелые ионы смещают большое количество атомов мишени из узлов кристаллической решетки вблизи поверхности подложки. На окончательном профиле распределение плотности радиационных дефектов, который повторяет распределение длин пробега выбитых атомов кремния, существует широкий скрытый пик. Например, легкие ионы 11B испытывают в основном электронное торможение, тяжелые ионы 31P или 75As - тормозятся атомами кремния.
В связи с этим после проведения ионного легирования необходимо провести постимплантационный отжиг, чтобы восстановить приповерхностную область мишени. Области стока и истока будем формировать внедрением фосфора, а для получения подложки p-типа исходную подложку будем легировать бором. 4.5 Металлизация Металлизация завершает процесс формирования полупроводниковых структур. Для каждой ИМС металлизацию желательно выполнять из одного материала. Процесс металлизации заключается в реализации межкомпонентных соединений с низким сопротивлением и создании контактов с низким сопротивлением к высоколегированным областям p- и n-типа и слоям поликристаллического кремния. Согласно заданию на курсовой проект необходимо сформировать 3 слоя металлизации. Такая металлизация полнее отвечает предъявляемым требованиям, но менее технологична, т.к. содержит не один слой металла. В качестве первого слоя металлизации на оксиде чаще всего используют тугоплавкие металлы, особенно молибден и ванадий. Имя большую проводимость, чем другие тугоплавкие металлы, они отличаются высокой стабильностью, хорошей адгезией, легко травятся при фотолитографии. Должны обладать малой растворимостью в материале подложки и создавать хороший омический контакт с полупроводником, небольшим пороговым напряжением. Вторым слоем обычно служит алюминий, а в особо ответственных устройствах - золото. Он должен быть высокопроводящим. Последний по порядку нанесения слой металлизации, называемый проводящим слоем, должен иметь хорошую электропроводность и обеспечивать качественное подсоединение контактных площадок к выводам корпуса. Для проводящих слоев применяются медь, алюминий, золото. Существует множество методов получения металлических пленок. Получение качественных незагрязненных пленок методом термовакуумного напыления сложно. Пленки алюминия, полученные термовакуумным испарением, обладают большой неравномерностью размеров зерен и высоко концентрацией внутри зерен. Их последующая термообработка приводит к миграции атомов металла и скоплению их вокруг крупных частиц с образованием высоких бугорков. Получение рисунков на таких пленках фотолитографией приводит к большим неровностям краев вследствие анизотропии травления по границам зерен. Поэтому для получения линий металлизации очень малой ширины отказываются от термовакуумных процессов . Способ химического осаждения пленок из парогазовой смеси чаще применяется в лабораторных условиях. Электронно-лучевое несмотря на то, что усложняет конструкцию установки, позволяют снизить загрязнение пленок и повысить производительность процесса (рисунок 8). Оптимальная скорость роста пленки составляет 0.5 мкм/мин. С помощью данного метода наносят пленки алюминия и его сплавов, а также Si, Pd, Au, Ti, Mo, Pt, W.
К преимуществам электронно-лучевого испарения относятся: ·возможность использования больших по массе источников (не требуется перезагрузка при нанесении толстых пленок);
·возможность последовательного нанесения различных пленок из соседних источников, расположенных в одной камере;
·высокая скорость роста пленок;
·возможность напыления тугоплавких материалов.
Барьер Шоттки по выполняемым функциям не относится к металлизации, но по технологии формирования его можно отнести к металлизации, т.к. она аналогична получению омических контактов к активным областям. Важнейшим этапом формирования барьеров Шоттки является выбор пары металл - полупроводник и оптимальных режимов. Итак, для контактного слоя применим силицид платины, который будет нанесен методом электронно-лучевого испарения путем совместного испарения из двух источников. Барьер Шоттки обеспечит сплав титана и вольфрама, нанесенный на кремний тем же методом. По сути, этот сплав будет аналогичен сильнолегированной области. Для проводящего слоя применим алюминий, также нанесенный методом электронно-лучевого испарения.
4.6 Межслойная изоляция Многоуровневая металлизация применяется для БИС и СБИС. Увеличение числа элементов увеличивает и площадь межэлементных соединений, поэтому их размещают в несколько уровней, разделенных изолирующими слоями и соединенными между собой в нужных местах. Изолирующие диэлектрические пленки должны иметь высокое напряжение пробоя, низкие диэлектрическую постоянную и потери, минимальное химическое взаимодействие с прилегающими пленками, низкий уровень механических напряжений, низкую плотность связанного электрического заряда, высокую химическую стабильность и технологичность при получении пленок и создании рисунка. Недопустимым является наличие сквозных микроотверстий, которые могут привести к короткому замыканию между слоями металлизации. Технология многоуровневой металлизации включает формирование первого уровня металлизации, получение изолирующего слоя с последующим вскрытием межуровневых контактных окон, формирование второго слоя металлизации и т.д. Многие серийно выпускаемые ИМС изготавливаются на основе алюминиевой металлизации с изолирующими слоями SiO2 . Пленки диоксида кремния могут осаждаться как с легирующими добавками, так и без них. Важнейший параметр при осаждении SiO2 - воспроизводимость рельефа (рисунок 9).
Рисунок 9-Конформное воспроизведение. Толщина пленки на стенках ступеньки не отличается от толщины на дне и поверхности. Обусловлено быстрой поверхностной миграцией
В данном проекте в качестве изолирующей пленки между многоуровневой металлизацией используется нелегированный диоксид кремния, наносимый методом химического осаждения из газовой фазы (рисунок 10). Последний основан на использовании явления пиролиза или химических реакций при формировании пленок изолирующего материала.
Рисунок 10 - Установка формирования пленок методом химического осаждения из газовой фазы при нормальном давлении
В качестве химически активного газа применяют моносилан SiH4 и кислород, а в качестве буферного газа - азот.
SiH4 + O2 → SiO2 + 2H2
Такой процесс является самым низкотемпературным для получения качественных диэлектрических слоев SiO2 (реакцию проводят в диапазоне температур 200-400ºС). Недостатком является горючесть и взрывоопасность силана. Пленки формируются очень чистыми, но из-за низких температур получаются неплотными. Во избежание этого нужно строго регулировать концентрацию силана в газовой фазе и подавать его непосредственно на поверхности пластин, предотвращая рост SiO2 в газовой фазе .
3. нженерно-экономические расчеты
Тема проекта: Разработка технологического процесса изготовления полупроводниковых интегральных схем Тип технологии: МОП транзистор с диодом Шоттки Материал подложки: Si Исходные данные по проекту: Размер кристалла (чипа) 10х10 мм
2
Минимальная проектная норма элемента ИС 0,3мкм
Плотность дефектов на слой 0,1деф/см
2
Число слоев металлизации 1
Вычисление процента выхода годных структур на пластине (Y) производится по следующей формуле:
где D0 - удельная плотность дефектов, приходящихся на одну фотолитографию, деф/см2; A - активная площадь кристалла, см2; F - число фотолитографических процессов в полном технологическом цикле изготовления ИС. Расчет общего объема выпуска годных изделий проводится по исходным данным. Выход годных структур на пластине: , где Aпл - активная площадь пластины диаметром 100 мм, A - площадь элемента, см2. Годовой объем производства при запуске Z=300 пластин в сутки при условии, что процент выхода годных изделий на сборочных операциях W=95%:
Таблица. Расчет порогового напряжения МОП транзистора. Na, см-31∙1016 => 1∙1022 м-3WH, мкм1,5 = 1,5∙10-6 мtox, нм40 => 4∙10-8 мLH, мкм1,5 = 1,5∙10-6 мL, мкм1,5 => 1,5∙10-6 мUDD, В3W, мкм16 => 1,6∙10-5 мεSi,11,9μn0.15εSi023.9ε08.85∙10-12 Ф/м2
8,6∙10-4 Ф/м где, - поверхностный потенциал. где,- падение напряжения на слое оксида.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной курсовой работе рассмотрена технология изготовления плат полупроводниковых интегральных микросхем. Полупроводниковая интегральная микросхема - это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники. Размеры кристаллов у современных полупроводниковых интегральных микросхем достигают мм2, чем больше площадь кристалла, тем более многоэлементную ИС можно на ней разместить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними. При использовании другого типа подзатворного диэлектрика, других металлов при формировании контактов с кремнием, других изолирующих слоев возможно получение более сложных схем с еще меньшим размером элементов.
Список использованных источников
1.Ежовский Ю.К. Основы тонкопленочного материаловедения и технологии интегральных устройств: Учебное пособие/ СПбГТИ.- СПб., 2005.-127с.
2.Интегральные устройства радиоэлектроники УМК, СЗТУ, СПб 2009
.Малышева И.А. Технология производства интегральных микросхем: Учебник для техникумов.- М.: Радио и связь., 1991. - 344с.
4.